CN103021202A - 一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法。本方法通过控制各个模块供电工作、断电休眠来降低设备的功耗。通过本方法，使船舶自动识别终端设备工作过程的大部分时间处于休眠模式，各个模块断电，ARM控制模块进入休眠模式，整机的耗电电流仅2～3mA，极大地增加了设备待机时间，延长了船舶自动识别终端设备一次充电的可使用时间，达到了降低设备功耗的目的。本发明有利于AIS设备的小型化，适用范围广，具有推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及船舶自动识别终端系统，尤其是涉及一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法。
背景技术
船舶自动识别系统（AIS）通过全球定位系统（GPS）获取当前的位置信息，并将自身的船位，船速，航向等动态信息以及船名，呼号，吃水及危险货物等静态资料通过甚高频（VHF）频道向附近船舶及岸台广播。周围的船舶通过接收广播的船舶信息可以及时掌握附近海域的船舶资料，采取必要的避让行动，提高船舶航行的安全性。
船舶自动识别终端设备工作过程为每间隔一段时间进行一次GPS定位，以及周期地按照AIS标准广播静态/动态消息。由于GPS模块和消息发送模块耗电量较大，若船舶自动识别终端设备的各个模块持续工作，则设备的耗电量将增大。由于小型船只没有对AIS终端设备持续供电的能力，AIS终端设备设计为通过可充电电池供电维持工作，因此设备待机时间成为衡量船舶自动识别终端设备质量好坏的一个重要指标。而各个模块长开将严重缩短设备待机时间。由此，需要研发一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法。
发明内容
本发明的目的是通过控制船舶自动识别终端设备各个模块的上电、断电，以及控制模块的休眠，在不影响设备正常工作的情况下，降低设备功耗，提高设备待机时间。
为了实现上述目的，本发明特别研发一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法。采用本方法可解决船舶自动识别终端设备的待机时间问题，通过合理控制各个模块供电工作、断电休眠来降低设备的功耗，从而提高设备待机时间。
本发明采取的技术方案是：一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法，其特征在于，通过控制各个模块供电工作、断电休眠来降低设备的功耗，其步骤如下：
（一）.在船舶自动识别终端设备正常工作模式，ARM控制模块给GPS模块供电，等待GPS定位；
（二）.GPS定位完成后，ARM控制模块解析GPS模块提供的位置消息，并组织AIS消息；ARM控制模块通过GPS模块提供的时间消息完成时间同步操作，然后关闭GPS模块主电源，GPS模块休眠；
（三）.在GPS完成定位以及ARM控制模块组织完成AIS消息后，消息发送模块在设备时间同步的基础上等待至消息发送时隙，开始发送消息，此时射频模块供电，发送消息完毕后，射频模块关闭，射频模块休眠；
（四）.若设备正常工作过程中检测到用户按键，控制模块分析用户按键需执行的操作，在完成对应操作后休眠；
（五）.当ARM控制模块判定GPS定位完成，消息发送完成，按键响应完成后，ARM控制模块设置实时时钟RTC中断，用于将控制模块从休眠中唤醒，然后ARM控制模块进入休眠模式，至此，船舶自动识别终端设备所有模块都进入休眠；
（六）.休眠过程中，若用户按下按键，船舶自动识别终端设备将从休眠中唤醒并进入正常工作模式，重新检测是否需要GPS定位、消息发送以及相应按键操作，若没有任务则继续休眠；休眠中若RTC时钟到达定时，产生中断唤醒ARM控制模块，则设备进入正常工作模式。
本发明的实现基于船舶自动识别终端设备，在ARM控制模块的控制下，ARM控制模块给GPS模块供电并等待GPS定位。获取GPS位置信息后，控制模块周期地控制射频模块通过VHF天线广播位置消息。控制面板可用于设备开关机和发送告警消息，控制面板通过LED灯指示工作状态。
ARM控制模块通过在GPS模块和射频模块不需要工作的时候关闭模块电源，以及在待机过程中休眠ARM控制模块自身，来降低设备功耗。并且低功耗待机中的设备仍可正常使能，可正常发送消息、定位以及开、关机等操作。
本发明所产生的有益效果是：通过本方法，使船舶自动识别终端设备工作过程的大部分时间处于休眠模式，各个模块断电，ARM控制模块进入休眠模式，整机的耗电电流仅2～3mA，极大地增加了设备待机时间，延长了船舶自动识别终端设备一次充电的可使用时间，达到了降低设备功耗的目的。
附图说明
图1为本发明船舶自动识别终端设备构成框图。
图2为本发明船舶自动识别终端设备时钟校准及补偿模块的电路原理图。
图3为本发明船舶自动识别终端设备GPS模块电路原理图。
图4为本发明船舶自动识别终端设备低功耗休眠架构图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：参照图1，本发明的船舶自动识别终端设备包括由协议栈、消息发送模块、GPS控制模块和休眠控制模块构成的ARM控制模块、射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板和电源模块，ARM控制模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板及电源模块连接，电源模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块及控制面板连接。
本发明各模块的功能如下：
1）射频模块：为通用公知的模块，用于在AIS A/B信道广播静态/动态消息；
2）GPS模块：用于解析GPS位置信息，并提供UTC时间信息；
3）控制面板：用于人机接口，用户通过面板按键操作设备，通过LED灯观察当前工作状态；
4）时钟模块：用于为ARM控制芯片提供主时钟和RTC实时时钟；
5）电源模块：用于为各个模块供电；
6）ARM控制模块：用于控制整个终端设备工作，其中，时钟校准模块用于通过GPS提供的标准时间校准自身时钟；时钟补偿模块用于通过周期地修正本地时间来完成对本地时钟误差的补偿；消息发送模块用于按照AIS协议周期的发送AIS静态、动态消息；GPS控制模块用于控制GPS芯片的开关，以及解析GPS消息等；休眠控制模块用于在设备空闲时，关闭不需要的部分，降低系统功耗。协议栈用于按照AIS国标对消息编码等操作。
参照图2，船舶自动识别终端设备的ARM控制模块采用STM32F103RCT6控制芯片N5，时钟模块采用为控制芯片N5提供主时钟的DSA321G_12.0M无源晶振芯片N2以及为控制芯片N5提供RTC时钟的DST310S-32.768KHz无源晶振芯片N4，其中无源晶振芯片N2的两端分别与控制芯片N5的5脚和6脚连接，并分别通过电容C6和电容C7接地；无源晶振芯片N4的两端分别与控制芯片N5的3脚和4脚连接，并分别通过电容C8和电容C17接地。
船舶自动识别终端设备的时钟模块由两部分提供，STM32F103CT6为ARM7核的设备控制芯片N5，用于控制整个船舶自动识别终端设备工作。芯片N2为DSA321G_12.0M无源晶振，为控制芯片N5提供主时钟；晶振外部接两个电容C6和电容C7到地，用于微调晶振频率。芯片N4为DST310S-32.768KHz无源晶振，为控制芯片N5提供RTC时钟，晶振外部接两个电容C8和电容C17到地，用于微调晶振频率。当船舶自动识别终端设备进入低功耗休眠模式时，主时钟停止工作，此时设备的时间同步维持由RTC实时时钟维持。当设备从休眠过程中唤醒时，主时钟启动并接替RTC时钟继续维持设备的时间同步状态。
参照图3，船舶自动识别终端设备的GPS模块采用一个用于通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20脚和21脚分别通过电阻R78和电阻R77以及电阻R80和电阻R81与所述的控制芯片N5的17脚和16脚连接，其中电阻R78和电阻R77的一端以及电阻R80和电阻R81的一端分别通过电容C100和电容C101接地；芯片N13的22脚通过电阻R82接3.3V电源，芯片N13的23脚通过三极管VT11的集电极、发射极与电阻R85相接后接3.3V电源，电阻R85与三极管VT11的基极连接后通过电阻R86连接三极管N14的集电极，再通过三极管N14的基极与所述的控制芯片N5的11脚连接，三极管N14的发射极接地，芯片N13的3脚通过电阻R83电阻R84与控制芯片N5的15脚连接，电阻R83电阻R84通过电容C102接地，芯片N13的8脚和9脚连接后通过电阻R79和电感L17与芯片N13的11脚连接，连接后接ANT-GPS有源天线，然后接地，芯片N13的7脚、10脚、12脚、13脚、14脚和24脚接地。
船舶自动识别终端设备的GPS模块采用NEO-5M芯片N13，ARM控制模块通过串口和GPS模块进行通信。其中NEO-5M芯片N13为GPS模块负责通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息。NEO-5M芯片N13的20和21管脚为GPS模块的串口，分别与STM32F103CT6控制芯片N5的16和17管脚连接，用于通过串口周期的向STM32F103CT6控制芯片N5发送GPS位置消息和时间消息。NEO-5M芯片N13的22管脚为GPS模块的备用电源，23管脚为GPS模块的主电源。主电源通过2SB1132三极管VT11和DTC114EE三极管N14与STM32F103CT6控制芯片N5管脚11连接。当STM32F103CT6控制芯片N5控制管脚11为高电平时，DTC114EE三极管N14集电极和发射极导通，进而控制2SB1132三极管VT11的集电极和发射极导通，从而给NEO-5M芯片N13的主电源供电。同理，当控制芯片N5控制管脚11为低电平时，DTC114EE三极管N14集电极和发射极截止，进而控制2SB1132的集电极和发射极截止，从而控制NEO-5M芯片N13的主电源断电。因NEO-5M芯片N13只要备用电源供电，在主电源断电的情况下，仍可保存相关定位消息，所以STM32F103CT6控制芯片N5通过控制管脚11低电平关闭NEO-5M芯片N13，降低功耗。在需要GPS模块定位时，通过STM32F103CT6控制芯片N5控制管脚11高电平打开NEO-5M芯片N13，GPS模块热启动，快速完成定位。器件ANT-GPS为有源GPS天线，NEO-5M芯片N13通过管脚9和11与有源GPS天线连接，并以此完成定位。NEO-5M芯片N13的管脚3在GPS模块定位后输出秒脉冲，用于提供精确的UTC时间，此管脚和ARM的15管脚连接，ARM端通过此秒脉冲完成本地时钟同步等操作。
参照图4，以下描述船舶自动识别终端设备休眠和唤醒的过程：
步骤100：在船舶自动识别终端设备正常工作模式，ARM控制模块给GPS模块供电，等待GPS定位；
步骤101：GPS定位完成后，ARM控制模块解析GPS模块提供的位置消息，并组织AIS消息；ARM控制模块通过GPS模块提供的时间消息完成时间同步操作，然后关闭GPS模块主电源，GPS模块休眠；
步骤102：在GPS完成定位以及ARM控制模块组织完成AIS消息后，消息发送模块在设备时间同步的基础上等待至消息发送时隙，开始发送消息，此时射频模块供电，发送消息完毕后，射频模块关闭，射频模块休眠；
步骤103：若设备正常工作过程中检测到用户按键，控制模块分析用户按键需执行的操作，在完成对应操作后休眠；
步骤104：当ARM控制模块判定GPS定位完成，消息发送完成，按键响应完成后，ARM控制模块设置实时时钟RTC中断，用于将控制模块从休眠中唤醒，然后ARM控制模块进入休眠模式，至此，船舶自动识别终端设备所有模块都进入休眠，休眠下电流仅2～3mA；
步骤105：休眠过程中，若用户按下按键，船舶自动识别终端设备将从休眠中唤醒并进入正常工作模式，重新检测是否需要GPS定位、消息发送以及相应按键操作，若没有任务则继续休眠；休眠中若RTC时钟到达定时，产生中断唤醒ARM控制模块，则设备进入正常工作模式。
本方法实现了在不影响正常工作的前提下，使船舶自动识别终端设备在休眠状态下耗电量仅2～3mA，极大地延长了待机时间。本发明有利于AIS设备的小型化，适用范围广，具有推广价值。
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
Claims (4)
1.一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法，其特征在于，通过控制各个模块供电工作、断电休眠来降低设备的功耗，其步骤如下：
（一）.在船舶自动识别终端设备正常工作模式，ARM控制模块给GPS模块供电，等待GPS定位；
（二）.GPS定位完成后，ARM控制模块解析GPS模块提供的位置消息，并组织AIS消息；ARM控制模块通过GPS模块提供的时间消息完成时间同步操作，然后关闭GPS模块主电源，GPS模块休眠；
（三）.在GPS完成定位以及ARM控制模块组织完成AIS消息后，消息发送模块在设备时间同步的基础上等待至消息发送时隙，开始发送消息，此时射频模块供电，发送消息完毕后，射频模块关闭，射频模块休眠；
（四）.若设备正常工作过程中检测到用户按键，控制模块分析用户按键需执行的操作，在完成对应操作后休眠；
（五）.当ARM控制模块判定GPS定位完成，消息发送完成，按键响应完成后，ARM控制模块设置实时时钟RTC中断，用于将控制模块从休眠中唤醒，然后ARM控制模块进入休眠模式，至此，船舶自动识别终端设备所有模块都进入休眠；
（六）.休眠过程中，若用户按下按键，船舶自动识别终端设备将从休眠中唤醒并进入正常工作模式，重新检测是否需要GPS定位、消息发送以及相应按键操作，若没有任务则继续休眠；休眠中若RTC时钟到达定时，产生中断唤醒ARM控制模块，则设备进入正常工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法，其特征在于，所述的船舶自动识别终端设备包括由协议栈、消息发送模块、GPS控制模块和休眠控制模块构成的ARM控制模块、射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板和电源模块，所述的ARM控制模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板及电源模块连接，电源模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块及控制面板连接。
3.根据权利要求2所述的一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法，其特征在于，所述的ARM控制模块采用STM32F103RCT6控制芯片N5，时钟模块采用为控制芯片N5提供主时钟的DSA321G_12.0M无源晶振芯片N2以及为控制芯片N5提供RTC时钟的DST310S-32.768KHz无源晶振芯片N4，其中无源晶振芯片N2的两端分别与控制芯片N5的5脚和6脚连接，并分别通过电容C6和电容C7接地；无源晶振芯片N4的两端分别与控制芯片N5的3脚和4脚连接，并分别通过电容C8和电容C17接地。
4.根据权利要求2所述的一种船舶自动识别终端设备实现低功耗待机的方法，其特征在于，所述的GPS模块采用一个用于通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20脚和21脚分别通过电阻R78和电阻R77以及电阻R80和电阻R81与所述的控制芯片N5的17脚和16脚连接，其中电阻R78和电阻R77的一端以及电阻R80和电阻R81的一端分别通过电容C100和电容C101接地；芯片N13的22脚通过电阻R82接3.3V电源，芯片N13的23脚通过三极管VT11的集电极、发射极与电阻R85相接后接3.3V电源，电阻R85与三极管VT11的基极连接后通过电阻R86连接三极管N14的集电极，再通过三极管N14的基极与所述的控制芯片N5的11脚连接，三极管N14的发射极接地，芯片N13的3脚通过电阻R83电阻R84与控制芯片N5的15脚连接，电阻R83电阻R84通过电容C102接地，芯片N13的8脚和9脚连接后通过电阻R79和电感L17与芯片N13的11脚连接，连接后接ANT-GPS有源天线，然后接地，芯片N13的7脚、10脚、12脚、13脚、14脚和24脚接地。
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